苯-甲苯体系板式精馏塔设计.pdf
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1、北京理工大学化工原理课程设计 精品 化工原理课程设计 设计题目:苯-甲苯体系板式精馏塔设计 北京理工大学化工原理课程设计 精品 化工原理课程设计任务书 设计任务 分离含苯 35%，甲苯 65%的二元均相混合液，要求所得单体溶液的浓度不低于 97%。（以上均为质量分率）物料处理量：20000 吨/年。（按 300 天/年计）物料温度为常温（可按 20计）。设计内容 设计一常压下连续操作的板式精镏塔，设计内容应包含：方案选择与流程设计；工艺计算（物料、热量衡算，操作方式与条件确定等），主要设备的工艺尺寸计算（塔高、塔径）；主体设备设计，塔板选型与布置，流体力学性能校核，操作负荷性能图，附属设备选型
2、；绘制工艺流程示意图、塔体结构示意图、塔板布置图；（设计图纸可手工绘制或 CAD 绘图）计算机辅助计算要求 物性计算 编制计算二元理想混合物在任意温度下热容的通用程序；编制计算二元理想混合物在沸腾时的汽化潜热的通用程序。气液相平衡计算 编制计算二元理想混合物在任意温度下泡点、露点的通用程序；编制计算二元理想混合物在给定温度、任意组成下气液分率及组成的通用程序。北京理工大学化工原理课程设计 精品 精馏塔计算 编制计算分离二元理想混合液最小回流比的通用程序；编制分离二元理想混合液精馏塔理论塔板逐板计算的通用程序。采用上述程序对设计题目进行计算 报告要求 设计结束，每人需提交设计说明书（报告）一份，
3、说明书格式应符合毕业论文撰写规范，其内容应包括：设计任务书、前言、章节内容，对所编程序应提供计算模型、程序框图、计算示例以及文字说明，必要时可附程序清单；说明书中各种表格一律采用三线表，若需图线一律采用坐标纸（或计算机）绘制；引用数据与计算公式须注明出处（加引文号），并附参考文献表。说明书前后应有目录、符号表；说明书可作封面设计，版本一律为十六开(或A4 幅面)。北京理工大学化工原理课程设计 精品 摘要 化工生产与现在生活密切相关，人类的生活离不开各色各样的化工产品。设计化工单元操作，一方面综合了化学，物理，化工原理等相关理论知识，根据课程任务设计优化流程与工艺，另一方面也要结合计算机等辅助设
4、备与机械制图等软件对数据和图形进行处理。本次设计旨在分离苯与甲苯混合物，苯与甲苯化学性质相同，可按理想物系处理。通过所学的化工原理理论知识，根据物系物理化学特性及热力学参数，对精馏装置进行选型与优化，对于设备的直径，高度，操作条件（温度、压力、流量、组成等）对其生产效果，如产量、质量、消耗、操作费用的影响寻找最优值。本次设计塔设备选用板式塔，气体以鼓泡的形式穿过板上的液层，进行传质与传热，选用板式塔中结构简单造价低廉的筛板塔。北京理工大学化工原理课程设计 精品 前言 作为一名学习化学工程与工艺专业的学生，化工原理是专业课中的重中之重。通过大三一年专业课的学习，我们初步掌握了化工流程与工艺的理论
5、知识。化工原理这门课程紧密联系了化工生产实际，是一门实践性极强的工程性学科。而化工原理课程设计更具备综合性与实践性，为化工原理理论课与实际运用的桥梁。在这次课程设计中，我更加深刻地体会到了化工单元操作的具体环节，同时也大大提高了自己分析问题与解决问题的能力，有利于自己在未来的学习与工作中更好地去处理事务。此次课程设计是分离苯与甲苯混合物。苯与甲苯属于二元理想混合物，设计中采用的是常压连续精馏。本次设计塔的选型为板式塔，采用的是筛板塔。筛板塔的优点是结构简单，制造维修方便，造价低，相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板效率接近浮阀塔。其缺点是稳定操作范围窄，小孔径筛板以堵塞，不适宜处理黏性大的、脏的
6、和带固体粒子的料液。热量由塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离。塔顶冷凝装置选用全凝器。为使塔的操作稳定，免受季节气温影响，精馏，提馏段采用相同的塔径以便于制造，采用饱和液体（泡点）进料。蒸馏采用间接蒸汽加热，设置再沸器。回流比选用最小回流比 1.5 倍（一般 R=(1.12)Rmin。通过相关理论与经验公式对所需数据进行处理与计算。同时在设计过程中也充分利用了计算机辅助计算与 CAD 制图。将所学的知识充分结合起来。完成了本次课程设计的要求。设计是一项创造劳动，身处其中，我们痛并快乐着。对于每一个工艺参数的设计，做到小心翼翼；对于每一个小任务的完成又倍有成就感，设计过程计
7、算量很大，这也要求我们以严肃认真的态度对待设计，对自己所提交的数据负责。在整个过程中极大地锻炼了自己各方面的能力。北京理工大学化工原理课程设计 精品 设计题目:苯-甲苯体系板式精馏塔设计.1 化工原理课程设计任务书.2 设计任务.2 设计内容.2 计算机辅助计算要求.2 报告要求.3 摘要.4 前言.5 第 1 章 详细设计方案.11 1.1 设计任务说明.11 1.2 流程设计.11 1.2.1 分离苯与甲苯工艺流程图：.11 1.2.2 流程说明.12 1.3 设计方案.12 1.3.1 精馏方式选择.12 1.3.2 进料热状态.14 1.3.3 操作压力.14 1.3.4 回流比的选择
8、.14 1.3.5 回流比.15 1.3.6 塔顶冷凝器的冷凝方式.15 1.3.7 精馏塔类型的选择.16 北京理工大学化工原理课程设计 精品 第 2 章 精馏过程工艺设计.18 2.1 原料状态.18 2.1.1 苯与甲苯的物理性质.18 2.1.2 物料衡算：.18 2.1.3 摩尔分数.19 2.1.4 露点、泡点的计算.20 2.2 图解法求理论塔板数.23 2.2.1 苯与甲苯饱和蒸汽压的确定.23 2.2.2 回流比 R 的确定.24 2.2.3 操作线方程.27 2.2.4 图解步骤.27 2.2.5 相对挥发度.28 2.2.6 全塔效率.31 2.3 逐板计算法计算理论塔板
9、数.31 2.4 相关物性参数计算.33 2.4.1 操作温度.33 2.4.2 操作压力.34 2.4.3 平均摩尔质量计算.35 2.4.4 平均密度.36 2.4.5 液相平均表面张力.37 2.4.6 液相平均黏度.38 北京理工大学化工原理课程设计 精品 2.4.7 热容.40 2.4.8 气化潜热.42 第 3 章 精馏塔塔体工艺尺寸计算.44 3.1 塔径的计算.44 3.1.1 精馏段塔径的计算.44 3.1.2 提馏段塔径的计算.46 3.2 精馏塔有效高度计算.47 第 4 章 塔板主要工艺尺寸.48 4.1 溢流装置计算.48 4.1.1 溢流堰长 lw：.48 4.1.
10、2 溢流出口堰高度 hw.48 4.1.3 弓形降液管宽度 Wd和截面积 Af.50 4.1.4 降液管底隙高度 h0.51 4.2 塔板布置.52 4.2.1 塔板的分块.52 4.2.2 边缘区宽度确定.52 4.2.3 开孔区面积计算.53 4.2.4 筛孔数 n 与开孔率.54 第 5 章 筛板的流体力学验算.55 5.1 精馏段.55 5.1.1 塔板压降Pp.55 北京理工大学化工原理课程设计 精品 5.1.2 液面落差.57 5.1.3 液沫夹带.57 5.1.4 漏液.58 5.1.5 液泛.59 5.2 提馏段.59 5.2.1 塔板压降.59 5.2.2 液沫夹带.61 5
11、.2.3 漏液.61 5.2.4 液泛.62 第 6 章 塔板负荷性能图.63 6.1 精馏段.63 6.1.1 漏液线.63 6.1.2 液沫夹带线.64 6.1.3 液相负荷下限线.64 6.1.4 液相负荷上限线.65 6.1.5 液泛线.65 6.2 提馏段.68 6.2.1 漏液线.68 6.2.2 液沫夹带线.69 6.2.3 液相负荷下限线.70 6.2.4 液相负荷上限线.70 北京理工大学化工原理课程设计 精品 6.2.5 液泛线.70 第 7 章 板式塔的结构及塔体高度.74 7.1 塔体结构.74 7.1.1 塔体总高度.74 7.2 附属设备设计.错误!未定义书签。7.
12、2.1 塔的接管.错误!未定义书签。8.2.2 冷凝器.错误!未定义书签。8.2.3 进料预热器.错误!未定义书签。8.2.4 再沸器.错误!未定义书签。8.2.5 离心泵.错误!未定义书签。8.2.6 贮罐.错误!未定义书签。第 8 章 程序设计.85 7.1 二元理想混合物在任意浓度下泡点、露点的计算.85 7.2 最小回流比计算程序.88 7.3 苯与甲苯溶液在给定温度、任意组成下气液分率及组成的通用程序。.90 7.4 二元混合精馏塔理论塔板逐板计算的通用程序.93 7.5 计算二元在任意温度下热容的通用程序.95 7.6 计算二元混合物在沸腾时的汽化潜热的通用程序.98 北京理工大学
13、化工原理课程设计 精品 第1章 详细设计方案 1.1 设计任务说明 分离物系：苯和甲苯混合物。分离装置：常压下的连续精馏装置。进料热状态：饱和液体（泡点）进料。加热方式：间接蒸汽加热，设置再沸器。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝。回流比选择：该物系属易分离物系，最小回流比比较小，操作回流比取最小回流比的 1.5 倍。1.2 流程设计 1.2.1 分离苯与甲苯工艺流程图：图 1-1 工艺流程图 北京理工大学化工原理课程设计 精品 1.2.2 流程说明 原料液利用用离心泵从原料贮罐输送到原料预热器中，预热器将原料加热到泡点温度后，在塔中部某一适合位置不断加入塔内。整个塔由若干层塔板按一定间距叠置而成，由
14、塔板提供气、液两项接触的场所，一层塔板就是一个接触级。原料进入塔内后，分为两部分：甲苯（重组分）蒸汽在塔顶冷凝器中冷凝，部分冷凝液回流入塔，由上而下经过塔板，与自下而上的苯蒸汽进行传质，到达塔底后流出，大部分经过塔底再沸器间接加热重新气化返回塔内，以形成延塔上升的气流，小部分经冷却器成为产品进入产品贮罐并进行热量回收利用，在回流罐内加入水喷射泵和自动控制系统，对塔内压力进行控制。轻组分乙醇进入塔内后和自下而上的蒸汽一起通过塔板到达塔顶，而后作为塔釜加热器和原料加热器的加热工质分别流过塔釜加热器和原料加热器，然后，进入冷却器冷却，冷却后经分配器一部分回流至塔内继续进行循环。精馏塔中的上升气流与下
15、降液流延塔进行多次接触级蒸馏，从而使上升气流中的易挥发组分逐板增加，同时下降液流中的易挥发组分逐板减少，只要塔板数目足够多，就能够使精馏塔不断地从塔顶和塔底获得合格的产品并实现稳定操作。1.3 设计方案 1.3.1 精馏方式选择 气-液平衡共存时，气相中易挥发组分含量较液相为富的原理，在实施蒸馏分离时，可选用简单蒸馏、间歇蒸馏、连续精馏以及特殊精馏等。简单蒸馏也称微分蒸馏，是一种不稳定的单级蒸馏过程，需分批（间歇）进行。原料液一次加入蒸馏釜中，在一定压强下加热至沸，使液体不断汽化。汽化的蒸汽引出，冷凝后加以收集，得到塔顶产品，即馏出液。简单蒸馏属于间歇操作。简单蒸馏时，气液两相的接触比较充分，
16、可以认为两相北京理工大学化工原理课程设计 精品 的组分达到了平衡。受相平衡比的限制，简单蒸馏的分离程度不高。通常用于混合液的初步分离，也用于石油产品的某些物理指标的评定。间歇精馏是将料液成批投入蒸馏釜，逐步加热汽化，待釜液组成降至规定值后一次性排出的操作。间歇精馏为非定态过程，在精馏过程中，釜液组成不断降低，若在操作时保持回流比不变（R 不变），则Dx随时下降；反之，若Dx保持不变，则在精馏过程中不断提高（增大）R。为了达到预期分离要求，实际操作可灵活多样，例如在操作初期可逐步加大回流比使不变，但 R 过大，经济上不合理。故操作后期可保持 R 不变，若所得的馏出液Dx不符合要求，可将此部分产物
17、并入下一批原料再次精馏。间歇精馏往往采用填料塔，这样可尽量减小持液量（塔身积存的液体量）。持液量将影响间歇精馏过程及产品的数量。间歇精馏时全塔均为精馏段，无提馏段。因此获得同样的塔底、塔顶组成的产品，间歇精馏的能耗必大于连续精馏。间歇精馏一般用于混合液的分离要求较高而料液品种或组成经常变化的情况。连续精馏装置，包括精馏塔、再沸器、冷凝器等。连续精馏典型操作如：精馏塔供汽液两相接触进行相际传质，位于塔顶的冷凝器使蒸汽得到部分冷凝，部分凝液作为回流液返回塔顶，其余馏出液是塔顶产品。位于塔底的再沸器使液体部分汽化，蒸汽沿塔上升，余下的液体作为塔底产品。进料加在塔的中部，进料中的液体和上塔段来的液体一
18、起沿塔下降，进料中的蒸汽和下塔段来的蒸汽一起沿塔上升。与间歇精馏相比较，连续精馏的优点：一、工艺控制点的控制参数稳定，正常情况下无明显变化。二、全新概念的回流分配技术，使精馏塔的采出量、回流量以最优化方式精确控制，使塔的能耗、物耗降至最低，分离功效最佳。三、独特的全凝器设备技术，使物料在该系统中只发生冷凝过程，无冷却过程，因而使回流流体依然保持泡点，最大限度发挥精馏塔的分离功效。四、大比表面、大通气量，低阻力降的高效填料的应用，大大提高精馏塔的分离功效，减少物耗、能耗，降低设备造价。五、由于连续精馏的控制点的控制参数稳定，所以能量损失小，更加节能。六、国内独特的无滞液分布器，保证精馏塔内实现零
19、滞液量，精馏塔的操作更稳定，控制更便利，产品质量得到更充分保证。七、连续精馏与间歇精馏相比产品的品质稳定，而且产品的品质更佳。其他还有一些特殊精馏方式，如：恒沸精馏、萃取精北京理工大学化工原理课程设计 精品 馏、多组分精馏、盐效应精馏和分子精馏等。由于生产规模以及纯度的要求，本次设计采用连续精馏方式。1.3.2 进料热状态 进料热状态与塔板数、塔径、塔的热负荷及回流量均有密切的联系。在实际生产过程中进料状态有多种。一般以进料热状态参数 q 表示：每摩尔进料的汽化热热量变成饱和蒸汽所摩使需尔进料每q 实际操作过程中，一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，其主要原因是由于此时塔的操作比较容易
20、控制且不易受季节气温的影响；在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。故本次的 q=1（泡点进料热状态参数值）。1.3.3 操作压力 精馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行精馏。当物性无特殊要求时，一般在常压下操作，这样不仅降低了对塔体本身的耐压要求，同时降低了操作成本，不影响分离效率，适合于工业用途。苯的常压沸点在 80.1
21、，甲苯的常压沸点为 110.63，常压操作可以满足要求，因此本次设计采用常压操作。1.3.4 回流比的选择 蒸精馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽加热。如蒸馏釜残液中的主要组分是水，且在低浓度下轻组分的北京理工大学化工原理课程设计 精品 相对挥发度较大时（如乙醇与水）宜用直接蒸汽加热。其优点是可以利用压强较低的加热蒸汽以节省操作费用，并省掉间接加热设备。但由于直接蒸汽的加热，对釜内溶液起一定稀释作用，在进料条件和产品纯度、轻组分收率一定的前提下，釜液浓度相应降低，故需要在提馏段增加塔板数以达到生产要求。本设计是苯-甲苯体系，因此采用间接蒸汽加热，设置再沸器。1
22、.3.5 回流比 选择回流比，主要从经济观点出发，力求使设备费用和操作费用之和最低。一般经验值为 min0.21.1RR 式中 R操作回流比 Rmin最小回流比 课程设计中，选用min5.1 RR 1.3.6 塔顶冷凝器的冷凝方式 塔顶上升蒸汽可根据需要进行全部冷凝和部分冷凝。若要全冷凝，则采用全凝器，这样蒸汽就全部冷凝为液体，一部分回流至塔内，一部分再经冷却器冷却作为塔顶产品引出。若需部分冷凝，则采用分凝器，让部分蒸汽冷凝为液体，并作为回流液引入塔内，余下蒸汽可根据需要进入冷凝冷却器，冷凝并进而冷却后做为塔顶产品引出。对于小塔，冷凝器可采用简单的蛇管换热器；对于大塔，一般都采用列管式换热器。
23、冷却介质一般采用冷却水，为了提高冷却介质流速，进而提高其对流传热系数，一般都让冷却水走管程，蒸汽在管外冷却。采用分凝器，就等于增加了理论塔板，这对塔顶蒸汽起到了一定的增浓作用，也有利于操作的控制，但却增加了设备费。本次设计采用全凝器将塔顶蒸汽全部冷凝，然后部分回流入塔内，其余作为塔顶产品引出。北京理工大学化工原理课程设计 精品 1.3.7 精馏塔类型的选择 精馏、吸收操作过程中，大都采用板式与填料塔两种型式的塔设备。板式塔是一种逐级（板）接触型的汽液传质设备，塔内一塔板作为基本构件，气体以鼓泡或喷射的型式穿过塔板上的液层，使气液两相密切接触进行传质。图 1-2：板式塔示意图 填料塔属于微分接触
24、型的气液传质设备。塔内以填料作为气液接触和传质的基本构件，液体在填料表面呈膜状向下流动，气体呈连续相自下而上流动，并进行气液两相间的传质。板式塔和填料塔均可作为蒸馏、吸收等汽液传质过程，但两者之间进行比较和选择时，应考虑多方面的因素。表 1-1 给出了板式塔和填料塔主要的比较情况。北京理工大学化工原理课程设计 精品 表 1-1：板式塔和填料塔的比较 项目 板式塔 填料塔 压降 较大 小尺寸填料较大；大尺寸填料及规整填料较小 空塔气速 较大 小尺寸填料较小；大尺寸填料及规整填料较大 塔效率 较稳定，效率较高 传统填料低；新型乱堆及规整填料高 持液量 较大 较小 液气比 适应范围较大 对液量有一定
25、要求 安装检修 较易 较难 材质 常用金属材料 金属及非金属材料均可 造价 大直径时较低 新型填料投资较大 在进行板式塔和填料塔选型比较时，下列情况应优先选用填料塔：1）有的新型填料具有很高的传质效率，在分离程度要求高的情况下，采用新型填料可降低塔的高度。2）新型填料的压降较低，对节能有利，加之新型填料具有较小的持液量，很适于热敏物料的蒸馏分离。3）对腐蚀性物料，填料塔可选用非金属材料的填料。4）易于发泡的物料也宜选填料塔，因为在填料塔内气相主要不以气泡形式通过液相，可减少发泡危险。在下列情况下应优先考虑板式塔：1）板式塔内液体滞料量大较大，操作负荷范围较宽，操作易于稳定，对进料浓度的变化也不
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